Los científicos del Instituto de Investigación Scripps TSRI han dado un gran paso hacia la recreación de laboratorio del "mundo del ARN", que generalmente se cree que precedió a las formas de vida modernas basadas en ADN y proteínas.
"Esta es probablemente la primera vez que algunas de estas moléculas de ARN complejas se sintetizan con una ribozima [una enzima especial de ARN] desde el fin del mundo del ARN hace cuatro mil millones de años", dijo el profesor de TSRI Gerald F. Joyce, el seniorautor del estudio
Los resultados del estudio, reportados esta semana en la edición temprana en línea del Actas de la Academia Nacional de Ciencias , demuestre que los científicos han logrado crear una ribozima que básicamente puede servir tanto para amplificar la información genética como para generar moléculas funcionales.
La nueva ribozima puede replicar eficientemente pequeñas extensiones de ARN y realizar la transcripción en ARN aún más largos para crear moléculas de ARN funcionales con estructuras complejas, acercándose a lo que los científicos imaginan en términos de un replicador de ARN que podría haber respaldado la vida antes de la biología modernadonde las enzimas proteicas ahora manejan la replicación y transcripción génica.
Tomar un desafío de décadas de antigüedad
En el nuevo estudio, Joyce y el investigador asociado de TSRI David P. Horning se propusieron utilizar técnicas de evolución en probetas para abordar el desafío de décadas de crear una enzima que pudiera replicar y transcribir ARN y, por lo tanto, apoyar un mundo de ARN.
El equipo comenzó con una enzima que había sido desarrollada y mejorada por otros investigadores desde principios de la década de 1990. La ribozima de ARN polimerasa de clase I, como se la conoce, puede realizar la tarea básica de síntesis de ARN, necesaria paratranscribiendo una plantilla de ARN en una molécula de ARN funcional, uniéndose a una cadena de ARN y usándola como plantilla para unir una cadena de ARN complementaria.
Pero las formas anteriores de la ribozima habían sido muy limitadas en las secuencias de ARN que podían manejar, y no podían transcribir ARN que tienen estructuras incluso moderadamente complejas. Debido a esas limitaciones, tampoco podían realizar la replicación completa de ARN, lo que requierela transcripción de una cadena complementaria de nuevo en una copia del original.
Horning y Joyce se basaron en varias mejoras descritas en investigaciones anteriores y luego agregaron mutaciones aleatorias para crear una población de aproximadamente 100 billones de variantes distintas de la molécula. Imitando el proceso evolutivo de la selección natural, establecieron un sistema para aislar solo la varianteribozimas que podrían sintetizar, a partir de las plantillas de ARN respectivas, dos moléculas de ARN diferentes y desafiantes, que tienen secuencias mixtas y estructuras complejas, y tienen funciones en el sentido de que se unen estrechamente a moléculas objetivo específicas.
"La selección se basó en la capacidad de estos ARN recién sintetizados para funcionar realmente al unirse a sus objetivos", dijo Horning. "Para poder hacer estos ARN funcionales, la ribozima efectivamente tuvo que evolucionar para ser versátil en términos dela secuencia y la estructura del ARN que podría manejar "
Mejor intérprete
El mejor desempeño después de dos docenas de rondas de selección, la polimerasa ribozima 24-3, demostró ser capaz de sintetizar no solo los dos ARN de unión al objetivo sino también varias otras moléculas de ARN estructuralmente complejas que existen en la naturaleza, como restos funcionales de los antiguosMundo de ARN: incluida una versión de levadura de una molécula de "ARN de transferencia" que tiene un papel esencial en la producción de proteínas en todas las células.
"Descubrimos que la nueva ribozima puede manejar la mayoría de las secuencias y todas las estructuras menos las más difíciles, por lo que podemos usarla para crear una variedad de moléculas de ARN funcionales", dijo Joyce.
Incluso al sintetizar las secuencias de ARN limitadas que la ribozima de ARN polimerasa de clase I original podía manejar, la ribozima 24-3 demostró ser capaz de unirlas aproximadamente 100 veces más rápido que su antepasado.
Pasando a la tarea mucho más difícil de replicación, los investigadores de TSRI descubrieron que la ribozima 24-3 podía copiar ARN de hasta dos docenas de nucleótidos, logrando lo que los biólogos llaman "replicación exponencial" y creando hasta 40,000 copias de un ARN objetivo dentro24 horas.
La ribozima 24-3 es, por lo tanto, la primera en combinar las dos capacidades básicas, síntesis de ARN y replicación de ARN, necesarias para un mundo de vida de ARN pre-proteína y pre-ADN.
Para generar y mantener un verdadero "mundo de ARN", la nueva ribozima tendrá que mejorarse aún más para permitir la replicación de moléculas de ARN más largas y complejas, incluyendo crucialmente la propia ribozima polimerasa. El laboratorio de Joyce ahora está impulsando su ribozimahacia esa meta con más experimentos de evolución en probeta.
"Una ribozima de polimerasa que logra una amplificación exponencial de sí misma cumplirá con los criterios para estar viva", dijo Joyce. "Esa es una cumbre que ahora está a la vista".
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Materiales proporcionado por Instituto de Investigación Scripps . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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